CTA計画
デュアルミラー望遠鏡用の波形記録集積回路の性能評価
河島孝則A、田島宏康A、奥村曉A、B、日高直哉A、 J.HintonB、R.WhiteB、S.FunkC、L.TibaldoC、J.VandenbrouckeD、G.VarnerE、 他 The CTA Consortium

名大 STE 研 A、レスター大 B、SLACC、ウィスコンシン大 D、ハワイ大 E

Monday, September 15, 14

1

超高エネルギーガンマ線観測• 数十 GeV から 数十 TeV 以上の超高エネルギー(VHE)ガンマ線観

Gamma-ray

測• VHE ガンマ線が大気シャワーを生じ、チェレンコフ光を放射

Air shower• チェレンコフ光を複数の望遠鏡でステレオ観測→ シャワーイメージから到来方

Cherenkov light

向を決定→ 光量からエネルギーを決定

Light pool

H. J. Völk and K. Bernlöhr. 2009
Monday, September 15, 14

2

Cherenkov Telescope Array (CTA)
LST ×(4 + 4)
D = 23 m
FOV = 4.5°
E = 0.02–1 TeV

MST ×(~24 +~ 15)
D = 12 m
FOV = 8°E = 0.1–10 TeV

SST ×~ 70 telescopes
D = ~4 m
FOV ~ 9°E = 1–300 TeV• Large, Medium, Small-Sized Telescope (LST, MST, SST) の 3 種の口径の望遠鏡を100 台規模で、南北の両半球に設置• 現在稼働している望遠鏡と比較して 10 倍ほどの感度向上• 20 GeV から 100 TeV の広い観測エネルギー帯域
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Schwarzschild-Couder Telescope• ガンマ線望遠鏡では初めて副鏡Secondaryを有する望遠鏡
PrimaryCamera•MST の拡張として SC-MST を、3種類ある SST のうち 2 種類として SC-SST を開発中

• 単鏡の望遠鏡より短焦点距離になるため、焦点面カメラの小型化、費用の低減が可能→ 数十台の規模で設置する予定の MST、SST において非常に重要

SCT のイメージ
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焦点面カメラ~ 78 cm~ 31 cm

SC-SST カメラのイメージ

SC-MST カメラのイメージ

光検出器 (64 チャンネル)モジュール数チャンネル数 各画素の大きさ

SC-MST

221~11000

0.06°

SC-SST

32~20000.18°← カメラモジュールの試作機

5.4 cmMonday, September 15, 14

波形記録読み出し回路• モジュール構成→交換が容易• SC-SSTと SC-MST のモジュールはほぼ同様
5焦点面カメラの試作機
DAQ Boards
Support Frames
in a Huge Dark Box

ProtoBackplane~40 cmLED Flasher
for Calibration
Monday, September 15, 146波形記録集積回路への要求• 波形記録集積回路の役割→波形記録、デジタル変換、トリガー信号の生成• 小型で低消費電力、安価な集積回路で上記の役割を達成する• 多数の読み出しチャンネル: 16 ch• 低消費電力: ~ 70 mW/ch• 波形記録時間分解能: ~ 1 ns
• 波形記録時間: > 12 μs• 読み出し時間: < 30 μs• ダイナミックレンジ: 1 mV ~ 2 V• 周波数特性 (at 3 dB) > 380 MHz

光検出器
Preamp
波形記録
集積回路
Trigger data
Backplane

FPGATrigger
Slow control

TeV Array Readout with GSa/s sampling and Event Trigger(TARGET) の開発
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TARGET の開発履歴
TARGET 1• 2008 年 3 月製作• 周波数特性 が ~150 MHz
TARGET 5• 2012 年 8 月製作• 周波数特性 400 MHz、クロストーク < 1%
• トリガー閾値を低くできない (~25 mV, ~6 p.e.)• サンプリング回路が原因のノイズがトリガー回路へ影響
TARGET 7• 2013 年 12 月製作• ダイナミックレンジを大きくし、リニアリティ、温度依存性を改良• サンプリング回路の干渉を防ぐため、トリガー回路をメタルの層で覆うように設計

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TARGET の開発履歴
TARGET 1• 2008 年 3 月製作• 周波数特性 が ~150 MHz
TARGET 5• 2012 年 8 月製作• 周波数特性 400 MHz、クロストーク < 1%
• トリガー閾値を低くできない (~25 mV, ~6 p.e.)• サンプリング回路が原因のノイズがトリガー回路へ影響
TARGET 7

トリガー性能を評価• 2013 年 12 月製作• ダイナミックレンジを大きくし、リニアリティ、温度依存性を改良• サンプリング回路の干渉を防ぐため、トリガー回路をメタルの層で覆うように設計

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9TARGET の模式図
Sampling Array

Gain /Buffer Amp

32 cell block 32 cell block

Storage Array(16,384 cells)
block0

block1

block2

block3

Wilkinson
ADC

writeread

サンプリング回路
block510 block511

First Amp

Serial data out

トリガー回路Sum Ampcomparator
FPGA

ref
thresholdtrigger signal

Vpedestal
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10ダイナミックレンジ、リニアリティ (T5)ADC

Channel 07
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000

Noise (mV)

500
01.5
10.5
001 mV0.5

0.5 V

11.522.5
2.1 VVped (V)• リニアリティが悪く、キャリブレーションが難しい• ダイナミックレンジ ~ 1.6 V は要求の 10 bit より小さい
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11

Amplitude (ADC counts)

ダイナミックレンジ、リニアリティの改良
4000

3000

2000

1000

by J. Vandenbrouckeat Wisconsin
0500

1000

1500

ダイナミックレンジ

2000

DC Voltage (mV)

積分非直線性TARGET5
0.5 ~ 2.1 V
338 ADC counts
TARGET7
0.5 ~ 2.4V
77 ADC counts• TARGET 7 のサンプリング回路ではダイナミックレンジとリニアリティの改良に成功している
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12

トリガー性能の測定方法
16-ch input

Fiber I/O

• 専用の評価ボードを使用• ファンクション・ジェネ
レータで発生したパルスを入力+5V

TARGET7
Monday, September 15, 14FPGA13

トリガー性能の測定 (T5)
トリガー効率trigger effiency

Threshold = 1900(DAC), PMTref4 = 1845(DAC)
1.4
1.4
1.2
1.21⎡⎛ x − µ⎞⎤F = ⎢1+ erf ⎜⎟⎥⎝⎠2⎣2σ ⎦

1.01
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0020

20

404060608010080 pulse height(mV)
100
パルス高 (mV)µ : mean thresholdσ : standard deviation (trigger noise)• 入力パルスのパルス高を変化させながらトリガー効率を測定• 誤差関数を含めた関数 F (Gaussian の積分形)でフィッテイングを行う• トリガー効率 が 0.5 となる点がトリガー閾値( μ )• トリガーノイズ は Gaussian の σ に相当する• トリガーノイズ : ~ 3 mV (目標 ~1 mV、1 p.e. ~ 4 mV)• 測定で得られるデータの曲線の形が歪んでいる
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サンプリング位相への依存性の測定
1GSa/s でサンプリングしている場合、サSampling Arrayinput
32 cell block 32 cell block

ンプリングアレイは (32 × 2) ns 周期で動作する→ 64 ns のサンプリング周期に同期してサンプリング回路トリガーさせ、サンプリングの位相を固定したトリガーノイズの測定を行う

NoiseFirst Amp

トリガー回路Sum Ampcomparator
FPGA

ref
thresholdtrigger signal

Vpedstal
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トリガー性能のサンプリング位相依存性(T5)
Delay
Delay 26 ns26 ns

Delay 0 ns

trigger effiency

トリガー効率trigger effiency

Delay0 ns
Delay 0 ns

1.4
1.4
1.2
1.2

Delay 26 ns

1.4
1.41.21.2

1.01

1.01

0.8
0.8

0.8
0.8

0.6
0.6

0.6
0.6

0.4
0.4

0.4
0.4

0.2
0.2

0.2
0.20055

60

60

65

65707075

7580808585

トリガー閾値: ~ 78.6 mV
トリガーノイズ: ~ 1.2 mV

90

95
100
90 pulse height(mV)
95100

パルス高 (mV)

0055

60

60

65

65

70

7075

75

80808585

トリガー閾値: ~ 66.2 mV

90

95

100

90 pulse height(mV)
95100

パルス高パルス高(mV)(mV)
パルス高(mV)

トリガーノイズ: ~ 3.7 mV• サンプリングの位相によってトリガー閾値がずれ、トリガーノイズの大きさも変化する• 位相によってはトリガーノイズは十分小さい
Monday, September 15, 1416Standard Deviation σ (mV)
トリガーノイズ(mV)

トリガー閾値(mV)
Mean Threshold µ (mV)

トリガー性能の周期性(T5)80807575
7070

55
4.5

443.5332.5

2265651.56060

1100.500202040406060648080

100100120140120delay 140(ns)020204040

Delay (ns)

6060

80

80

10010064120

140120delay (ns)140
Delay (ns)

• TARGET 5 のトリガー性能は 64 ns の周期で変化している→ サンプリングアレイ の動作がトリガーノイズに影響している• 設計を改良した TARGET 7 において、サンプリング回路の干渉を防ぐことに成功したのかを測定によって確認する
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Trigger Effiency
トリガー効率

トリガー性能の測定(T7)
1.4
1.4

1.2
1.2
1.011⎡⎛ x − µ⎞⎤F = ⎢1+ erf ⎜⎟⎥⎝⎠2⎣2σ ⎦

0.8
0.8
0.6
0.6

0.40.4µ : mean thresholdσ : standard deviation (trigger noise)

0.2
0.200

20

2040

4060

60

80

80

100100120

140120pulse height
140(mV) パルス高 (mV)

• 入力パルスのパルス高を変化させながらトリガー効率を測定
H の積分形)でフィッテイングを行う• 誤差関数を含めた関数 F (Gaussian• トリガー効率 が 0.5 となる点がトリガー閾値( μ )• トリガーノイズ は Gaussian の σ に相当する
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トリガー効率Trigger Effiency

トリガー閾値の限界
1.41.41.21.21.01
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4

0.2
0.200

20204040606080
80

100100120 パルス高140 (mV)
120140pulse height (mV)
パルス高 (mV)• 最小閾値はコンパレータの設定値を変えて測定する• コンパレータの設定を小さくし過ぎると、ノイズをトリガーし始める→ 最小閾値の決定
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Standard Deviation σ (mV)

トリガーノイズ (mV)

トリガー性能の測定結果 (T7)30302525
20
20
15
15
1010550050506060707080

809090100100110110
トリガー閾値 (mV)

測定結果
最小トリガー閾値 (μ) ~ 50 mV、トリガーノイズ (σ) ~ 16 mV(目標はそれぞれ μ < 10 mV、σ < 1 mV、1 p.e. ~ 4 mV)

目標性能より悪い→ TARGET 7 において、サンプリング回路がトリガー回路に干渉しているか確認する
Monday, September 15, 1420

Standard Deviation σ (mV)
トリガーノイズ(mV)

トリガー閾値(mV)
Mean Threshold µ (mV)

トリガー性能のサンプリング性能依存性(T7)80807070606050500161414121010866
440400181822202040406060
6480

80

100100120120
delay (ns)

Delay (ns)

000

20

2040406060
6480

80

100100120120
delay (ns)
Delay (ns)• トリガー性能は 64 ns 周期で変化している• トリガー閾値は 40 mV、トリガーノイズは 15 mV 程度変化する• TARGET 7 の設計ではサンプリング回路の干渉を防ぐことはできな
かった
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新たな ASIC の開発に向けて• TARGET 7 のように、トリガー回路をメタルで覆う手法ではサンプリング回路の干渉を防ぐことができなかった→ サンプリング回路とは独立した新たなトリガー用集積回路を開発する• TARGET をベースにしたトリガー用集積回路を作るため、サンプリング機能をオフにし、サンプリングノイズに影響されていない状態のTARGET のトリガー性能を測定する• TARGET 5 と TARGET 7 で性能を比較し、要求を満たしていれば採用する (TARGET 5 と TARGET 7 ではアンプの構造が少し違う)

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トリガーノイズ(mV)
Trigger Noise (mV)

サンプリングオフ時のトリガー性能比較
3.03
2.5
2.5

2.02
1.5
1.5

TARGET 5
TARGET 7

1.01
0.5
0.50000

Monday, September 15, 1455

1010151520202525 トリガー閾値(mV)
Mean Threshold (mV)

最小トリガー閾値

トリガーノイズ

Requirement< 10 mV< 1 mVTARGET5TARGET7~ 3 mV
~ 16mV~ 0.6 mV
~2.6 mV23

トリガーノイズ(mV)
Trigger Noise (mV)

サンプリングオフ時のトリガー性能比較
3.03
2.5
2.5

2.02
1.5
1.5

TARGET 5
TARGET 7

1.01
0.5
0.50000

Monday, September 15, 1455

1010151520202525 トリガー閾値(mV)
Mean Threshold (mV)

最小トリガー閾値

トリガーノイズ

Requirement< 10 mV< 1 mVTARGET5TARGET7~ 3 mV
~ 16mV~ 0.6 mV~2.6 mV

採用
24まとめ、今後• TARGET 7 のトリガー性能を測定した• 最小トリガー閾値 55 mV、トリガーノイズ 16 mV• サンプリング回路がトリガー回路に干渉している→トリガー用集積回路を独立に開発する• TARGET 5 と TARGET 7 でサンプリング機能をオフにした
ときのトリガー性能を測定し、トリガー用集積回路の構造として TARGET 5 のものを採用• 最小トリガー閾値 ~ 3 mV (目標：< 10 mV)• トリガーノイズ ~ 0.6 mV (目標：< 1 mV)• 年内にトリガー用集積回路を製造予定、その後に試験
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